中国化肥减量降碳效应评估

邹金浪,刘陶红,姚冠荣*,徐 龙(1.江西财经大学生态文明研究院,江西 南昌 330013；2.江西财经大学应用经济学院,江西 南昌 330013)

化肥是重要的农业生产资料,也是中国农业碳排放的主要来源[1-2].中国化肥过度使用是基本事实,推动化肥减量是农业领域减少碳排放的重要举措,也是潜力所在.为了减少化肥用量,原农业部于2015年发布了《到2020年化肥使用量零增长行动方案》(简称第一阶段《行动方案》).第一阶段《行动方案》实施期满后,农业农村部于2022年发布了第二阶段《行动方案》,即《到2025年化肥减量化行动方案》.已有研究表明,2015年以来中国化肥用量[3-4]和化肥使用碳排放量[5-6]双下降,但两个阶段《行动方案》化肥减量降碳效应(即化肥使用碳排放总量下降程度及对化肥使用强度减少的响应程度)却不甚明了.农业对中国“双碳”发展具有重要支撑作用,但农业碳达峰、碳中和面临较大挑战[3,7].由于农业的特殊地位,协调推进化肥减量降碳和稳粮保供已成为共识[8-10].研究两个阶段《行动方案》化肥减量降碳效应对于处理好农业发展和减排的关系具有重要意义.

农业碳排放是指农业生产过程中由化肥、农药、能源消耗和土地转化产生的温室气体排放,是温室气体排放的主要来源之一[11-12].农业碳排放量在中国占总排放量的17%,但在美国占7%,在全球占11%,减少农业碳排放对中国的影响较其他国家更为明显[13].许多学者围绕农业碳排放问题展开研究.一是分析农业碳排放(不包括土地利用及变化)的变化特征[14-15]、效率[16-17]、绩效[18-19]、减排潜力[20-21]、碳补偿[9,22]、影响因素[23-24]、情景模拟[25-26]等方面.二是分析全球[27-28]、国家[29-31]、地区[32-33]等尺度上土地利用及变化引起的碳排放.

此外,由于农业生产中化肥使用与能源消耗和土地转化产生的碳排放无论在变化趋势还是在驱动机制上都有差异,分析化肥使用碳排放有助于进一步厘清农业碳排放规律和细化农业减排政策.化肥在制造到使用的整个链条中都会产生碳排放.Zhang 等[1]分析了中国化肥(氮肥)在整个生命周期中的温室气体排放,其中使用阶段产生的温室气体排放量占比最高,为38.52%.也有学者[34]对化肥生产和消费第二大国印度开展研究,结果显示化肥产生的温室气体排放量超过一半来自使用阶段.Gao等[10]认为全球化肥在使用阶段产生的温室气体排放量占温室气体排放总量的约三分之二,减少化肥使用阶段的排放是重点.

由于化肥过度使用,中国化肥使用碳排放问题受到学术界的广泛关注.Kahrl 等[35]建立了中国氮肥使用的温室气体排放因子,在此基础上估算了氮肥使用的温室气体排放规模,并探索了氮肥使用的温室气体减排潜力.近年来,不同学者已经对不同种类农作物化肥使用[8,36]、不同类型化肥使用[37-38]以及不同种类农作物与不同类型化肥组合[39]的碳排放及减排潜力进行了多角度研究.此外,已有研究表明化肥减量成为当前中国农业碳减排的最大贡献者[5],2015年“减肥”行动政策在减少农业碳排放方面发挥了积极效用[6].

目前关于包括化肥在内的农业碳排放文献颇丰,本文将做两方面的深化.一是基于公共政策评估视角,量化第一阶段《行动方案》化肥减量降碳效应,尤其是评估化肥使用强度减少对化肥使用碳排放总量下降的贡献程度(简称化肥使用强度减少的降碳贡献程度),鲜有文献对这方面开展系统研究.二是着眼近期需求,预测2025年化肥减量降碳效应.这与IPCC 在第六次评估报告中强调减少温室气体排放的近期应对措施相契合,已有文献多关注2030年、2050年、2060年等中长期化肥使用碳排放或农业碳排放情景.基于此,本文首先分析《行动方案》实施前化肥使用碳排放变化并对其结构进行分解;然后量化第一阶段《行动方案》化肥减量降碳效应,分析其区域和农作物类型差异;最后预测第二阶段《行动方案》化肥减量降碳效应.

1 研究方法与数据来源

1.1 化肥使用碳排放测算方法

目前农业碳排放测算研究中最为常见的方法是排放系数法[40-41].本文采用排放系数法,构建化肥使用碳排放测算公式:

式中:T为化肥使用碳排放总量,kg;Ti为第i种农作物碳排放量,kg;Ai第i 种农作物播种面积,hm2;FNi、FPi和FKi分别为第i 种农作物单位播种面积氮、磷和钾3 种化肥实际折纯使用量,kg/hm2;CN、CP和CK分别为氮、磷和钾的碳排放系数.氮、磷和钾的碳排放系数分别为3.392、0.636 和0.180(以二氧化碳当量计)[36,42].进一步,将复混肥中的氮、磷和钾纳入计算范围,其中磷酸二铵中氮、磷和钾的有效成分含量分别为17%、47%和0%,三元复合肥中氮、磷和钾的有效成分含量分别为11%、24%和13%,混配肥中氮、磷和钾的有效成分含量分别为10%、17%和3%[36,42].

1.2 化肥使用碳排放的LMDI 分解方法

对数平均迪氏指数(LMDI)方法在理论性、适用性、易于使用性、结果易解释性等方面具有优势,并且能够处理正值、零值和负值数据,是一种理想的分解方法[43-44].LMDI 方法常被用来对农业碳排放的影响因素进行分解[45-47].本文采用LMDI 方法对化肥使用碳排放结构进行分解.

公式(1)可做如下转换:

式中:Ai为第i 类农作物播种面积,hm2;A 为农作物播种总面积,即种植规模,hm2;Si为第i 类农作物播种面积占农作物总播种面积比重,即种植结构,%;Fi为第i类农作物化肥使用量,kg;Fij为第i 类农作物j 种化肥(氮、磷和钾)使用量,kg;Ii为第i 类农作物化肥使用强度,即施肥强度,kg/hm2;Pij为j 种化肥在i 类农作物中所占的比重,即化肥结构,%;Cij为第i 类农作物j种化肥的碳排放系数.

LMDI加法分解的结果是具体数值,便于汇总不同因素对碳排放变化的贡献程度.化肥使用碳排放从第0 期到第t 期的变化,采用LMDI 加法分解对公式(2)进行如下分解:

式中:

式中:ΔTtot为化肥使用碳排放变化量,kg;Tt和T0分别为t 时期和基期化肥使用碳排放量,kg,ΔTA、ΔTS、ΔTI、ΔTP和ΔTC分别为种植规模、种植结构、施肥强度、化肥结构和碳排放系数变动引起的化肥使用碳排放变化量,kg.所采用的化肥碳排放系数为固定值,故ΔTC=0.

由两个阶段的《行动方案》可知,化肥减量既包括氮、磷和钾3 种化肥使用量减少,又包括氮、磷和钾结构合理.故采用施肥强度(ΔTI)和化肥结构(ΔTP)两个指标衡量化肥使用强度增减情况.本文重点关注化肥使用强度增减引起的化肥使用碳排放变化量,其次是种植规模和种植结构调整引起的化肥使用碳排放变化量.这三者也是分析化肥用量变化原因的基本维度[48].本文定义这3 个因素引起的化肥使用碳排放变化量占化肥使用碳排放变化总量的比例为其对化肥使用碳排放变化的贡献程度.

1.3 2025年化肥减量降碳效应预测方法

第二阶段《行动方案》提出2025年化肥施用量实现稳中有降,但没有具体减量目标.本文借鉴其他相关指标来设定2025年化肥减量情景:①《“十四五”全国农业绿色发展规划》提出2020～2025年主要农作物化肥利用率增加2.8 个百分点、增幅6.97%,②《到2025年化学农药减量化行动方案》提出2025年主要粮食作物化学农药使用强度力争比“十三五”期间降低5%、经济作物化学农药使用强度力争比“十三五”期间降低10%.以2020年化肥使用强度为基准值,假定氮、磷和钾结构不变,设定2025年化肥使用强度减少情景如下:-1%、-3%、-5%、-7%和-10%.

2025年不同农作物播种面积来源于《“十四五”全国种植业发展规划》:稻谷播种面积为 3.00×107hm2;小麦播种面积大于2.33×107hm2,取值2.35×107hm2(按增长1%来预测,下同);玉米播种面积大于4.20×107hm2,取值 4.24×107hm2;大豆播种面积为1.07×107hm2;油料播种面积大于1.47×107hm2,取值1.48×107hm2;棉花播种面积为3.20×106hm2;烤烟种植面积为 1.00×106hm2;糖料种植面积为 1.53×106hm2;蔬菜播种面积大于2.00×107hm2,取值2.02×107hm2.

采用以上数据,代入公式(1)和(3),计算得到2025年化肥使用碳排放总量和化肥使用强度减少引起的化肥使用碳排放下降量及其贡献程度.

1.4 样本与数据

原农业部于2015年2月印发了《到2020年化肥使用量零增长行动方案》,同年4月,印发了《<到2020年化肥使用量零增长行动方案>推进落实方案》,细化了2015～2020年各年度的减量目标任务.因此,以2014年为节点,分析2008～2014年和2014～2020年两个时间段的化肥减量降碳效应,重点分析后一时间段.2020～2025年为预测化肥减量降碳效应的时间段.

将农作物细分为稻谷、小麦、玉米、大豆、油料(花生、油菜籽)、棉花、烤烟、糖料(甘蔗、甜菜)、蔬菜,其面积数据来源于历年《中国统计年鉴》《中国农村统计年鉴》和各省份统计年鉴;单位播种面积氮、磷、钾、磷酸二铵、三元复合肥、混配肥投入数据来源于历年《全国农产品成本收益资料汇编》.香港、澳门、台湾、北京、天津、上海和西藏地区缺少数据,不在分析之列.研究期间,中国农作物单位播种面积化肥折纯用量及其碳排放清单详见表1 和表2.

表1 2008～2020年中国农作物单位播种面积化肥折纯使用量(kg/hm2)Table1 Fertilizer usage per unit sowing area of crops in China from 2008 to 2020(kg/hm2)

2 结果与分析

2.1 2008～2014年化肥使用碳排放

中国化肥使用碳排放总量由2008年的7185.11万t 上升到2014年的8462.78 万t,增幅17.78%(表3).这一时期化肥使用碳排放总量上升的主要原因为农作物种植规模扩大,对化肥使用碳排放总量上升的贡献程度为65.07%;其次为化肥使用强度增加,贡献程度为21.82%;最后为农作物种植结构调整,贡献程度为13.11%(图1).

图1 2008～2014年化肥使用碳排放变化的各因素贡献程度Fig.1 Contribution of factors to the change of carbon emissions from fertilizer use from 2008 to 2014

表3 2008～2020年中国化肥使用碳排放总量(万t)Table 3 Total carbon emissions from fertilizer use in China from 2008 to 2020(104t)

2008～2014年,不同省份化肥使用碳排放总量变化存在差异.18 个省份化肥使用碳排放总量上升(图2),其中,河北、内蒙古、辽宁、吉林、黑龙江、安徽、江西、山东、贵州、云南和甘肃11 个省份化肥使用碳排放总量上升主要由农作物种植规模扩大引起,江苏、广东、海南、陕西、青海和新疆6 个省份化肥使用碳排放总量上升主要由化肥使用强度增加引起,宁夏化肥使用碳排放总量上升主要由种植结构调整引起(图1).9 个省份化肥使用碳排放总量下降,其中,浙江化肥使用碳排放总量下降主要由农作物种植规模收缩引起,其余8 个省份化肥使用碳排放总量下降主要由化肥使用强度减少引起.

图2 2008、2014 和2020年各省份化肥使用碳排放总量Fig.2 Total carbon emissions from fertilizer use by provinces in 2008,2014 and 2020

2.2 2014～2020年化肥减量降碳效应

中国化肥使用碳排放总量由 2014年的8462.78 万t 持续下降到2020年的7004.40 万t,降幅17.23%(表3).这一时期,化肥使用强度减少的降碳贡献为81.08%(图3).可见,第一阶段《行动方案》的化肥减量降碳效应明显.2014～2020年,大豆化肥使用碳排放总量上升(表3),这主要是由种植规模扩大引起的,而化肥使用强度减少的降碳贡献为40.64%(图4);其余农作物化肥使用碳排放总量下降,其中,稻谷、小麦、玉米、油料、糖料和蔬菜化肥使用碳排放总量下降主要由化肥使用强度减少引起,棉花和烤烟化肥使用碳排放总量下降主要由种植规模收缩引起.由图4 进一步可知,蔬菜、油料、玉米和稻谷化肥使用强度减少的降碳贡献程度超过80%.棉花化肥使用强度增加在38.23%的程度上抑制了化肥使用碳排放总量下降,我国棉花生产中仍然存在化肥投入过多的问题,导致温室气体排放量高[49].

图3 2014～2020年化肥使用碳排放变化的各因素贡献程度Fig.3 Contribution of factors to the change of carbon emissions from fertilizer use from 2014 to 2020

2014～2020年,除河北、江苏、广东和新疆外,其余23个省份化肥使用碳排放总量下降(图2).这23个省份中,除黑龙江、海南和甘肃外,其余20 个省份化肥使用碳排放总量下降主要由化肥使用强度减少引起,其中吉林、河南、湖北、贵州和宁夏5 个省份化肥使用强度减少的降碳贡献程度超过90%,辽宁、浙江、湖南和陕西4 个省份化肥使用强度减少的降碳贡献程度介于80%～90%之间(图3).由图3 进一步可知,黑龙江化肥使用碳排放总量下降主要由种植结构调整引起,海南和甘肃化肥使用碳排放总量下降主要由种植规模收缩引起;河北和新疆化肥使用碳排放总量上升主要由种植规模扩大引起,江苏和广东化肥使用碳排放总量上升主要由化肥使用强度增加引起.

玉米、蔬菜、稻谷和小麦是化肥使用碳排放的主要农作物(表3).由图4 可知,玉米化肥使用强度减少的降碳程度较高的省份集中在东北地区(不含黑龙江)和黄淮海地区,甘肃、新疆和陕西3 个省份玉米化肥使用强度增加.蔬菜化肥使用强度减少的降碳程度较高的省份集中在黄淮海地区(不含江苏)、两湖地区和西北地区,广东、江苏、云南和辽宁4 个省份蔬菜化肥使用强度增加.稻谷化肥使用强度减少的降碳程度较高的省份集中在长江流域地区,广东、山东、海南和吉林4 个省份稻谷化肥使用强度增加.小麦化肥使用强度减少的降碳程度较高的省份集中在黄淮海地区,新疆、宁夏和内蒙古3 个省份小麦化肥使用强度增加.

由图4 还可知,河南、重庆、吉林、山西和内蒙古5 个省份大豆化肥使用强度减少的降碳贡献程度超过全国平均水平,河北和安徽大豆化肥使用强度增加.浙江、福建和云南3 个省份油料化肥使用强度减少的降碳贡献程度超过全国平均水平,青海、河南、湖南、广东、江西、广西、安徽、贵州和辽宁9 个省份油料化肥使用强度增加.所有省份棉花化肥使用强度减少的降碳贡献程度不超过35%,其中化肥使用强度减少的降碳程度较高的省份集中在黄淮海地区;新疆和安徽化肥使用强度增加.烤烟化肥使用强度减少的降碳贡献程度较高的省份在不同地区都有分布,其中广东、四川、吉林、甘肃、内蒙古和江西6 个省份化肥使用强度减少的降碳贡献程度超过50%;陕西、安徽、广西和湖南4 个省份烤烟化肥使用强度增加.四川和云南糖料化肥使用强度减少的降碳贡献程度超过全国平均水平,新疆糖料化肥使用强度增加.

2.3 2020～2025年化肥减量降碳效应

整体而言,5 种情景下2025年化肥使用碳排放总量均低于2020年(表4).在-1%的情景下,稻谷、小麦、棉花、糖料和蔬菜在2025年的化肥使用碳排放总量低于2020年.在-3%的情景下,玉米在2025年的化肥使用碳排放总量低于2020年.在-5%的情景下,烤烟在2025年的化肥使用碳排放总量低于2020年.在-10%的情景下,大豆在2025年的化肥使用碳排放总量低于2020年.在5种情景下,油料在2025年的化肥使用碳排放总量均高于2020年.

表4 2025年不同情景下化肥使用碳排放总量(万t)Table 4 Total carbon emissions from fertilizer use under different scenarios in 2025(104t)

如表5所示,整体而言,化肥使用强度减少1%对化肥使用碳排放总量下降的贡献程度为50.40%.稻谷、小麦和棉花在所有设定的情景下,化肥使用强度减少的降碳贡献程度均超过50%.玉米和糖料在-3%的情景下,化肥使用强度减少的降碳贡献程度超过50%.烤烟在-5%的情景下,化肥使用强度减少的降碳贡献程度超过50%.蔬菜在-7%的情景下,化肥使用强度减少的降碳贡献程度超过50%.大豆在-10%的情景下,化肥使用强度减少的降碳贡献程度超过50%.油料在5 种设定情景下,化肥使用强度减少的降碳贡献程度均不超过30%.

表5 2025年不同情景下化肥使用强度减少的降碳贡献程度(%)Table 5 Contribution of fertilizer reduction to carbon reduction under different scenarios in 2025(%)

2.4 进一步讨论

中国化肥使用碳排放已经达峰,这与相关研究[3,5-6]的结论保持一致.全国层面,鉴于耕地面积的有限性,农作物种植规模大幅扩大的潜力较小.2025年调整和优化种植结构改变不了玉米、蔬菜、稻谷和小麦是化肥使用碳排放主体的基本格局.因此,降低化肥使用碳排放主要依赖于减少化肥使用强度.

2008～2020年,除江苏、广东、海南和新疆外,其余省份化肥使用强度均有所减少.其中,山西、辽宁、浙江、福建、江西、河南、湖北、湖南、广西、重庆、四川和云南化肥使用强度呈平稳减少趋势,福建、河南和山西化肥使用强度减幅尤为明显(图5).在化肥使用强度增加的省份中,江苏和广东主要是由蔬菜化肥使用强度增加引起的.江苏蔬菜氮肥和磷酸二铵使用强度增幅较大,分别增加了2.33 倍和3.01 倍;广东蔬菜化肥使用强度增加源于磷肥、氮肥和钾肥,其中磷肥使用强度增加了7.47 倍.海南化肥使用强度增加是由稻谷引起的,研究期间,氮肥、磷肥和钾肥使用强度波动增加,而三元素复合肥和混配肥使用强度快速增加,分别增加了2.81 倍和4.82 倍.新疆化肥使用强度增加是棉花、蔬菜、小麦、玉米和糖料化肥使用强度增加共同作用的结果,其中,棉花和蔬菜化肥使用强度增量最大,主要是氮肥和磷酸二铵使用强度增加引起.

图5 2008、2014 和2020年各省份化肥使用碳排放强度Fig.5 Carbon emissions intensity from fertilizer use by provinces in 2008,2014 and 2020

不同省份化肥使用碳排放达峰的时间点不一样,有些省份甚至还没有达峰.到2020年,河北、新疆、江苏和广东化肥使用碳排放还未达峰.由于耕地资源禀赋和水热条件差异大,不同省份农作物种植结构和种植规模甚至化肥使用强度的变化趋势存在差异.需要识别农作物种植规模收缩掩盖化肥施用强度增加和种植结构调整导致部分区域化肥用量增加的情况[50].正如江苏和广东化肥使用碳排放总量仍在上升主要由化肥使用强度增加引起.持续推进化肥减量政策是这两个省份实现化肥使用碳达峰的优先选项.在大食物观驱动下,少数省份在农作物种植规模和种植结构方面将会有较大变化,且已经成为化肥使用碳排放变化的重要因素.这些省份实现化肥减量降碳还需考虑农作物种植规模变化和种植结构调整.由LMDI 分解结果可知,新疆和河北化肥使用碳排放总量仍在上升主要由农作物种植规模扩大引起,需要统筹农业发展与化肥使用降碳.

2014～2020年化肥使用碳排放总量下降了17.23%,比同时期化肥使用总量的降幅(12.43%)多了4.8 个百分点,这说明化肥减量降碳的速度快于化肥减量的速度.全国层面,在稳定农作物播种面积的前提下,化肥使用强度减少1%,2025年化肥使用碳排放总量会低于2020年,且降碳贡献程度超过50%.化肥减量增效潜力大且成本可控[10,51-52],2025年化肥使用强度减少1%(可作为各省份2025年化肥减量化的最低目标)不会对稳粮保供产生负面影响.从这个角度来讲,在全国层面,化肥减量与降碳、稳粮保供可以实现共赢.

3 结论

3.1 中国化肥使用碳排放总量由 2008年的7185.11 万t 波动增加到2014年的8462.78 万t,增幅17.78%;然后持续减少到2020年的7004.40 万t,相较2014年减少了17.23%.第一阶段《行动方案》实施前后化肥使用碳排放明显不同,且对不同农作物的影响存在差异.玉米和棉花化肥使用碳排放总量峰值出现在2014年,其余农作物则在2014年之前.

3.2 2014～2020年,中国化肥使用强度减少的降碳贡献程度为81.08%.其中,蔬菜、油料、玉米和稻谷化肥使用强度减少的降碳贡献程度高于80%,大豆和烤烟化肥使用强度减少的降碳贡献程度低于50%;而棉花化肥使用强度增加.不同省份化肥使用强度减少降碳效应差异大,其中,河北、黑龙江、海南和甘肃化肥使用强度减少的降碳贡献程度低于50%.在此期间,江苏、广东和新疆化肥使用强度增加.

3.3 与2020年相比,在保障种植规模和优化种植结构的前提下,2025年中国化肥使用碳排放总量将下降.减少1%情景下稻谷、小麦、棉花、糖料和蔬菜在2025年的化肥使用碳排放总量低于2020年,玉米、烤烟和大豆则分别需减少3%、5%和10%.稻谷、小麦和棉花化肥使用强度减少1%的降碳贡献程度超过50%,而玉米和糖料需减量3%,烤烟、蔬菜和大豆分别需减少5%、7%和10%.在所设情景下,2025年油料化肥使用强度减少降碳效应不明显.

4 政策启示

4.1 完善化肥后“碳达峰”时期的减量与降碳协同推进的治理体系.中国化肥使用碳排放已达峰,下一步应该提升化肥后“碳达峰”时期的减量与降碳协同效应,助力农业实现“双碳”发展.一是以降碳为主要目标之一推进化肥减量,进一步提升化肥减量化政策的成本有效性;二是平衡使用化肥和有机肥,优化化肥使用结构,提升施肥技术,持续提高化肥利用效率;三是建立化肥减量降碳效应定期评估制度,为减量降碳协同增效提供及时有效的决策支持.

4.2 关注化肥使用强度增加和化肥使用强度减少降碳贡献程度不高的地区.研究结果显示化肥减量降碳效应的地区差异明显.当前,应该重点推进江苏、广东和新疆化肥减量化,实现江苏蔬菜化肥减量化,广东稻谷、油料和蔬菜化肥减量化以及新疆粮食、棉花和糖料化肥减量化.此外,进一步推进河北除稻谷和蔬菜之外的农作物、黑龙江和海南的所有农作物、甘肃除烤烟之外的农作物的化肥减量化水平,增强化肥使用强度减少的降碳贡献程度.

4.3 区分农作物类型开展化肥减量降碳的总量和强度调控.在今后一段时期,就全国层面而言,玉米、蔬菜、稻谷和小麦是化肥使用碳排放的主体,油料和大豆因播种面积增加导致化肥使用强度减少降碳贡献程度有限,而糖料和棉花化肥使用强度高但碳排放总量少.为降低政策执行成本提高监管效率,对第一类农作物实施化肥减量降碳总量和强度双调控,对第二类农作物实施化肥减量降碳总量调控,对第三类农作物实施化肥减量降碳强度调控.